一种三维钣金零件的线切割方法与流程

本发明涉及钣金零件切割领域，尤其涉及一种三维钣金零件的线切割方法。

背景技术

钣金零件是金属板材通过冲压、弯曲、拉伸等手段加工而来，在交通运输、航空宇航、电子电器、医疗器械、石油化工、日常生活等各个领域均有重要的应用。而在飞行器、航天器、深海探测等应用中，复杂曲面能够获得更好的流线型，符合流体力学和空气动力学的需求，严格的型面要求保证了整机的飞行速度、运行轨道或下潜深度等重要技术指标。

拥有复杂型面的三维钣金零件生产制造的最后一个加工工序是切割成形，现产业中常用的技术方案为：高能束切割(激光、等离子)、水刀切割、电火花线切割。三者成本成递减趋势，批量越大时高能束切割越合适，还可结合机械手臂实现空间内精确切割，体现最佳性价比；水刀切割过程中对零件产生冲击力，零件切割处毛刺现象较为严重，同时机床需要收集切割后的水和喷砂，配套相对较大；线切割是利用电火花原理，对零件产生的力可忽略，加工速度相对较慢，适合小批量。国内针对拥有复杂型面的三维钣金零件小批量生产，专利主要集中于三维切割的装置上并更适合大批量生产的激光切割，如cn201721280085.9、cn201510538139.6均公开了一种机械传动式的三维切割装置，更好的发挥激光矢量切割的优良特性，但激光成本高且对加工轨迹编写的人员素质要求也极高，同时对切割边缘产生一定的热影响。cn201410701674.4中提供的高压水三维切割方法，躲避型支撑工装的设计制造需要很高的要求，且对小批量多种类的通用性很差。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种三维钣金零件的线切割方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种三维钣金零件的线切割方法，包含以下步骤：

步骤1)，获取钣金零件的cad三维图和其成形方式，如果是采用模具成形，利用钣金零件模具的分型面构建坐标系的x0y平面；如果不是采用模具成形，分析钣金零件的cad三维图，将钣金零件凹面最多的面向下搁置于水平面，以水平面为x0y平面；

步骤2)，作钣金零件在x0y平面上的投影，过投影轮廓所形成封闭图形的重心作垂直的两条直线，令该两条直线在轮廓线内的直线段按长短分别称为长轴、短轴，令短轴最短时长轴所在直线为y轴、长轴的中点为原点o、长轴的长度为l，过y轴作垂直于xoy平面的平面为yoz平面，并过原点o作垂直于x0y平面、y0z平面的平面为x0z平面，形成完整的加工坐标系，xoy平面和钣金零件的外表面交线为最优圆滑截面线；

步骤3)，根据钣金零件的尺寸大小制作用于将钣金零件固定在线切割机床工作台上的工装夹具；

所述工装夹具包含底座旋转机构、y轴旋转机构、三个支撑和两个吸盘模块；

所述底座旋转机构包含固定底座、旋转平台、圆锥滚子轴承、第一锁紧螺母和两根限位插销；

所述固定底座的上端面上设有和其垂直的固定柱，其上设有和所述第一锁紧螺母内圈螺纹相匹配的螺纹；

所述旋转平台的中心处设有供所述固定柱穿过的圆孔，所述旋转平台套在所述固定柱上、通过所述圆锥滚子轴承和所述固定底座相连，其中，圆锥滚子轴承的内圈和所述固定柱固连、圆锥滚子轴承的外圈和所述旋转平台固连，使得所述旋转平台能够绕所述固定柱自由转动；

所述固定底座的上端面上设有关于固定柱中心对称的第一限位孔、第二限位孔；所述旋转平台上设有和所述固定底座上第一限位孔、第二限位孔对应的第一限位通孔、第二限位通孔；所述两根限位插销用于配合第一限位孔、第二限位孔、第一限位通孔、第二限位通孔使用，使得旋转平台的第一限位通孔和固定平台的第一限位孔或第二限位孔相对固定；

所述第一锁紧螺母和所述固定柱螺纹连接，用于锁死或松开所述旋转平台和固定底座；

所述y轴旋转机构包括第一至第二深沟球轴承、第一至第二轴承座、旋转轴、手轮、第二锁紧螺母、角度指示盘和指针；

所述第一、第二轴承座固定在所述旋转平台上；

所述旋转轴的两端分别通过第一、第二深沟球轴承设置在所述第一、第二轴承座上，使得旋转轴能够自由转动；

所述角度指示盘中心设有供旋转轴穿过的通孔，套在所述旋转轴靠近第一轴承座的一端外、和所述旋转轴同轴且和所述第一轴承座固连，其上设有角度刻度；

所述指针的根部套在旋转轴靠近第一轴承座的一端且和旋转轴固连，指向角度指示盘上的角度刻度，用于表征旋转轴的旋转角度；

所述手轮的转轴和所述旋转轴靠近第一轴承座的一端固连，用于带动旋转轴旋转；

所述旋转轴靠近第二轴承座的一端设有和所述第二锁紧螺母内圈螺纹相匹配的螺纹，和所述第二锁紧螺母螺纹相连；

所述第二锁紧螺母用于和所述第二轴承座相配合来锁紧或松开所述旋转轴；

所述吸盘模块包含吸盘支架以及均匀设置在吸盘支架上端的若干真空吸盘；

所述三个支撑、两个吸盘支架的底部均固定设置在所述旋转轴上，其中，所述三个支撑用于托起钣金毛坯件，所述两个吸盘模块用于吸住钣金毛坯件、配合三个支撑以对钣金毛坯件进行固定。

步骤4)，将工装夹具装在线切割机床的工作台上，用线切割丝对工装夹具进行对刀，统一毛坯件与线切割机床上装夹具的坐标系；

将钣金毛坯件放置于工装夹具上，使得钣金毛坯件下表面与三个支撑的三条轮廓线完全贴合，同时使得两组八个真空吸盘吸住钣金毛坯件；

步骤5)，利用三维软件创建基准面与投影功能，作三维钣金零件在x0y平面的轮廓投影，观察钣金零件轮廓投影中是否存在交叉线；

步骤5.1)，若不存在交叉线，直接向线切割机床软件中导入轮廓线为路径切割出三维钣金零件，打磨切割面至光滑，清洗零件结束；

步骤5.2)，若存在交叉线：

步骤5.2.1)，在三维软件中，过坐标系y轴构建与x0y平面逆时针方向夹角为ai的9个投影平面，ai＝i×10°，i为大于等于1小于等于9的自然数；

步骤5.2.2)，采用软件的投影功能获取三维钣金零件在9个投影平面上的轮廓投影；

步骤5.2.3)，观察9个投影平面上的轮廓投影中是否存在交叉线：

步骤5.2.3.1)，若存在没有交叉线的轮廓投影，任意选择一幅没有交叉线的轮廓投影，将其对应的投影平面作为切割基准面，通过手轮旋转工装夹具使得固定好的钣金毛坯件对应切割基准面，导入三维钣金零件在切割基准面上的轮廓投影，依此为路径对三维钣金零件进行切割，打磨切割面至光滑，清洗三维钣金零件结束；

步骤5.2.3.2)，若9个投影平面上的轮廓投影中均存在交叉线：

步骤5.2.3.2.1)，选取交叉面积最小的轮廓投影对应的投影平面作为初始投影面，通过手轮旋转工装夹具使得固定好钣金毛坯件对应初始投影面，选取交叉线的最外侧构成的闭合轮廓线为切割路径，完成第一次切割；

步骤5.2.3.2.2)，令初始投影面的轮廓投影中存在交叉线的局部区域为区域a，在初始投影面之外的8个投影平面和原始x0y平面的轮廓投影中选取任一区域a中不存在交叉线的轮廓投影，将其对应的投影平面作为进行区域a切割的二次投影面，通过手轮旋转工装夹具使得固定好钣金毛坯件对应二次投影面，导入三维钣金零件在二次投影面上的轮廓投影，依此为路径对三维钣金零件的区域a进行切割；

步骤5.2.3.2.3)，打磨切割面至光滑，清洗三维钣金零件结束。

作为本发明一种三维钣金零件的线切割方法进一步的优化方案，所述步骤3)中三个支撑和两个吸盘支架的具体制作方法如下：

步骤3.1)，在三维cad软件中利用第一至第五平面对对三维钣金零件模型进行剖面，所述第一至第五平面沿y轴依次排列、相互平行，其中，第三平面为x0z平面，第一平面、第五平面和第三平面之间的距离为m，且第二平面、第四平面和第三平面之间的距离均为

步骤3.2)，根据第一、第三、第五平面所剖而得的内轮廓曲线，线切割钢板制作三个支撑；

步骤3.3)，根据第二、第四平面所剖而得的内轮廓曲线，线切割钢板制作两个吸盘支架。

作为本发明一种三维钣金零件的线切割方法进一步的优化方案，所述吸盘模块中真空吸盘的数量为4个。

作为本发明一种三维钣金零件的线切割方法进一步的优化方案，所述真空吸盘均采用直径20mm的nbr橡胶真空吸盘，真空度为-0.5pa。

作为本发明一种三维钣金零件的线切割方法进一步的优化方案，所述步骤5)中对闭合轮廓线进行切割时，具体步骤如下：

步骤a)，采用最优圆滑截面线在投影平面的投影线将闭合轮廓线分为二段，将一段轮廓线加长预设的距离阈值结合进刀、退刀路径构成路径a，将另一段轮廓线加长预设的距离阈值结合进刀、退刀路径构成路径b；

步骤b)，使得旋转平台和固定底座锁死，且旋转平台的第一限位通孔和固定平台的第一限位孔相对固定、旋转平台的第二限位通孔和固定平台的第二限位孔相对固定，采用路径a进行切割；

步骤c)，使得旋转平台和固定底座锁死，且旋转平台的第一限位通孔和固定平台的第二限位孔相对固定、旋转平台的第二限位通孔和固定平台的第一限位孔相对固定，采用路径b进行切割。

作为本发明一种三维钣金零件的线切割方法进一步的优化方案，所述预设的距离阈值为2mm。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.工装夹具的设计与制造简单便捷，对符合线切割设备工作行程的复杂三维钣金零件具有很好的通用性，同时工装夹具的装配与使用操作均很简单，结合高效低成本的线切割技术极大降低了研发试制过程中特小批量的复杂三维钣金零件制造成本和试制周期。

2.采用多条内轮廓线支撑实现毛坯件的精确定位，并通过真空吸盘吸附零件从而达到固定零件的作用。真空吸盘解决了诸如铝及铝合金、不锈钢、钛及钛合金等无磁性材质的钣金零件难以固定的问题，无损的实现了对复杂三维钣金毛坯件精密装夹。

3.采用三维软件的投影功能实现了三维轮廓与二维切割路径的转化，统一坐标系的情况下，以简便和低成本的步骤实现复杂三维钣金零件的切割成形。相比于现有的复杂三维钣金零件切割成形技术，本发明降低研发试制过程中特小批量件成本的同时保证切割质量及效率，此方法可作为复杂三维钣金零件切割成形的新方法。

附图说明

图1是本发明的实施流程图；

图2(a)为三维钣金零件坐标系的构建示意图，图2(b)为三维钣金零件在x0y平面的投影示意图；

图3(a)是本发明中工装夹具三个支撑、两个吸盘支架的结构示意图，图3(b)为工装夹具的正视图，图3(c)为工装夹具的俯视图，图3(d)为工装夹具的结构示意图；

图4(a)是本发明中旋转平台和固定底座之间0°装配的示意图，图4(b)是旋转平台和固定底座之间180°装配的示意图；

图5是本发明中9个投影平面示意图；

图6是本发明中闭合轮廓线转化为切割路径的示意图；

图7(a)是本发明第二种实施案例的坐标系示意图；图7(b)为本发明第二种实施案例中三维钣金零件在x0y平面的投影示意图；图7(c)是本发明第二种实施案例的投影交叉线示意图；图7(d)为本发明第二种实施案例的局部区域切割路径示意图；

图中，21-三维钣金零件，22-xoy平面，23-yoz平面，24-最优圆滑截面线，25-三维钣金零件在xoy平面投影轮廓线，26-最优圆滑截面线在xoy平面上的投影直线段(即y轴)，27-xoz平面，311-简易支撑，312-吸盘支架，321-轴承底座，322-深沟球轴承，323-旋转轴，324-角度显示部件，325-第二锁紧螺母，326-手轮，327-旋转平台，331-圆锥滚子轴承，332-固定底座，333-机床通用支架，334-第一锁紧螺母，335-限位插销，341-安装基准座，342-真空吸盘，61-退刀路径，62-起刀路径，63-路径a，64-路径b，71-水平面(即本发明第二种实施案例中的xoy平面)，72-本发明第二种实施案例中的最优圆滑截面线，73-本发明第二种实施案例中的yoz平面，74-本发明第二种实施案例中三维钣金在xoy平面的投影轮廓线，75-本发明第二种实施案例中最优圆滑截面线在xoy平面的投影直线段，76-本发明第二种实施案例中的xoz平面，77-本发明第二种实施案例中投影轮廓线交叉面积最小的区域a，771-本发明第二种实施案例中局部轮廓线，772-本发明第二种实施案例中局部区域a的切割路径。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

实施例1：本发明是是提供一种简单便捷的线切割解决方案，同时提供一种简易的工装设计方法。其过程如图1所示，下面以钛合金复杂三维钣金零件21为例，详细介绍本发明的实施步骤。

步骤1：获取三维钣金零件的cad三维图和其成形方式，此零件采用模具热成形，利用三维钣金零件模具的分型面构建坐标系的x0y平面22；

步骤2：如图2(a)，作三维钣金零件在x0y平面22上的投影，过投影轮廓25所形成封闭图形的重心作垂直的两条直线，令该两条直线在轮廓线内的直线段按长短分别称为长轴、短轴，令短轴最短时长轴所在直线为y轴、长轴的中点为原点o、长轴的长度为632mm，过y轴作垂直于xoy平面22的平面为yoz平面23，并过原点o作垂直于x0y平面、y0z平面的平面为x0z平面27，形成完整的如图2(b)所示的加工坐标系。同时xoy平面和钣金零件的交线为最优圆滑截面线24；

步骤3)，根据钣金零件的尺寸大小确定旋转轴尺寸620mm×50mm×50mm，按照图3(b)、图3(c)中示意，制作用于将钣金零件固定在线切割机床工作台上的工装夹具。工装夹具包含底座旋转机构、y轴旋转机构、三个支撑、两个吸盘支架和两组真空吸盘；

底座旋转机构包含固定底座332、旋转平台327、圆锥滚子轴承331、第一锁紧螺母334和两根限位插销335；实现底座180°转换装配的底座旋转机构则依靠圆锥滚子轴承331实现旋转平台327的旋转，固定底座332通过螺钉连接在机床通用支架333上，限位插销335实现精准定位，第一锁紧螺母334实现旋转平台与固定底座的锁死与松开。

y轴旋转机构包括第一第二深沟球轴承322、第一至第二轴承座321、旋转轴323、手轮326、第二锁紧螺母325、角度指示盘和指针组成的角度显示部件324；将利用一对深沟球轴承322将旋转轴323装配在第一第二轴承座上，通过旋转手轮326实现y轴的旋转，而分别固定在旋转轴323上的指针和轴承座321上的角度指示盘组成的角度显示部件324精准显示旋转角度，第二锁紧螺母325实现旋转角度的固定。

在三维cad软件中利用平行于x0z平面的五个平面(从左往右对其1-5编号)对三维钣金零件模型进行剖面，针对剖面上下两条曲线选取靠近xoy平面一侧作为内轮廓曲线。根据1、3、5平面所剖而得的内轮廓曲线制作三个简易支撑，根据上述中三个内轮廓曲线设计并线切割1mm钢板制作三个简易支撑311，其中3平面为x0z平面及1、5平面为距离x0z平面等距为180mm的平行平面，满足158mm≤m≤210.7mm；根据2、4平面所剖而得的内轮廓曲线制作真空吸盘支架，2、4平面为与x0z平面等距为158mm的两平行对称平面，并根据此两个平面而得到的两个内轮廓曲线设计并线切割1mm钢板制作真空吸盘支架312，如图3(a)所示。三个简易支撑、两个吸盘支架通过安装基准座固连在旋转轴上，八个直径20mm的nbr橡胶真空吸盘固定在吸盘支架上，装配完毕如图3(d)所示。

步骤4)，将工装夹具装在线切割机床的工作台上，用线切割丝对工装夹具进行对刀，调整通用底座333确定工装夹具的旋转轴323与机床y轴平行，并确定旋转轴的长方体段原点位置，统一毛坯件与线切割机床上装夹具的坐标系；将毛坯件放置于工装夹具上，使得毛坯件下表面与三个支撑的三条轮廓线完全贴合，调整真空度为-0.5pa并打开真空吸盘的控制开关，毛坯件被固定。

步骤5)，按图4(a)固定好毛坯件，利用三维软件创建基准面与投影功能，作三维钣金零件在x0y平面的轮廓投影，观察钣金零件轮廓投影中无交叉线。按照图6，最优圆滑截面线在投影平面的投影线段将闭合轮廓线分为二段，将两段轮廓线加长预设的距离阈值2mm结合进刀路径62和退刀路径61分别构成63路径a与64路径b；在旋转平台处于0°装配即图4(a)所示的状态时利用路径a完成线切割，松开第一锁紧螺母334及取下限位插销335，调整旋转平台至180°装配状态即图4(b)所示的状态时，拧紧第一锁紧螺母334及安装限位插销335，利用路径b完成毛坯件轮廓另一侧的切割，打磨零件轮廓线的切割面至光滑，清洗零件结束并退出切割任务。

实施例2：本发明是是提供一种简单便捷的线切割解决方案，同时提供一种简易的工装设计方法。其过程如图1所示，下面以图2中试制的钛合金复杂三维零件21为例，详细介绍本发明的实施步骤。

步骤1：咨询制件方，此零件成形方式未知，且无cad三维图，将模版件搁置水平面上，采用3d扫描仪扫描模版件构建所需的cad软件图，同时以水平面71构建坐标系的x0y平面；

步骤2：如图7(a),作三维钣金零件在x0y平面71上的投影，过投影轮廓74所形成封闭图形的重心作垂直的两条直线，令该两条直线在轮廓线内的直线段按长短分别称为长轴、短轴，令短轴最短时长轴所在直线为y轴、长轴的中点为原点o、长轴的长度为524mm，过y轴作垂直于xoy平面71的平面为yoz平面73，并过原点o作垂直于x0y平面、y0z平面的平面为x0z平面76，形成完整的如图7(b)所示的加工坐标系。同时xoy平面和钣金零件的交线为最优圆滑截面线72；

步骤3：根据钣金零件的尺寸大小确定旋转轴尺寸620mm×50mm×50mm，按照图3(b)、图3(c)中示意，制作用于将钣金零件固定在线切割机床工作台上的工装夹具。工装夹具包含底座旋转机构、y轴旋转机构、三个支撑、两个吸盘支架和两组真空吸盘；

底座旋转机构包含固定底座332、旋转平台327、圆锥滚子轴承331、第一锁紧螺母334和两根限位插销335；实现底座180°转换装配的底座旋转机构则依靠圆锥滚子轴承331实现旋转平台327的旋转，固定底座332通过螺钉连接在机床通用支架333上，限位插销335实现精准定位，第一锁紧螺母334实现旋转平台与固定底座的锁死与松开。

y轴旋转机构包括第一第二深沟球轴承322、第一至第二轴承座321、旋转轴323、手轮326、第二锁紧螺母325、角度指示盘和指针组成的角度显示部件324；将利用一对深沟球轴承322将旋转轴323装配在第一第二轴承座上，通过旋转手轮326实现y轴的旋转，而分别固定在旋转轴323上的指针和轴承座321上的角度指示盘组成的角度显示部件324精准显示旋转角度，第二锁紧螺母325实现旋转角度的固定。

在三维cad软件中利用平行于x0z平面的五个平面(从左往右对其1-5编号)对三维钣金零件模型进行剖面，针对剖面上下两条曲线选取靠近xoy平面一侧作为内轮廓曲线。根据1、3、5平面所剖而得的内轮廓曲线制作三个简易支撑，根据上述中三个内轮廓曲线设计并线切割1mm钢板制作三个简易支撑311，其中3平面为x0z平面及1、5平面为距离x0z平面等距为150mm的平行平面，满足131mm≤m≤174.7mm；2、4平面为与x0z平面等距为131mm的两平行对称平面，并根据此两个平面而得到的两个内轮廓曲线设计并线切割1mm钢板制作真空吸盘支架312，如图3(a)所示。三个简易支撑、两个吸盘支架通过安装基准座固连在旋转轴上，八个直径20mm的nbr橡胶真空吸盘固定在吸盘支架上，装配完毕如图3(d)所示。

步骤4将工装夹具装在线切割机床的工作台上，用线切割丝对工装夹具进行对刀，调整通用底座333确定工装夹具的旋转轴323与机床y轴平行，并确定旋转轴的长方体段原点位置，统一毛坯件与线切割机床上装夹具的坐标系；将毛坯件放置于工装夹具上，使得毛坯件下表面与三个支撑的三条轮廓线完全贴合，调整真空度为-0.5pa并打开真空吸盘的控制开关，毛坯件被固定。

步骤5：按图4(a)固定好毛坯件，利用三维软件创建基准面与投影功能，作三维钣金零件在x0y平面的轮廓投影，观察轮廓投影中有交叉线，如图7(c)所示。

步骤6：按照图5过y轴构建与x0y平面逆时针方向夹角为ai的9个平面(ai＝i×10°,i为大于等于1小于等于9的自然数)，9个轮廓投影中均有交叉线存在，并且交叉线区域77面积最小的为0°时投影平面，选择投影线最外侧的构成闭合轮廓线。按照图6，最优圆滑截面线在投影平面的投影线段将闭合轮廓线分为二段，将两段轮廓线加长预设的距离阈值2mm结合进刀路径62和退刀路径61分别构成63路径a与64路径b；在旋转平台处于0°装配时即图4(a)所示的状态时利用路径a完成线切割，松开第一锁紧螺母334及取下限位插销335，调整旋转平台至180°即图4(b)所示的状态时装配状态，拧紧第一锁紧螺母334及安装限位插销335，利用路径b完成毛坯件轮廓另一侧的切割。

步骤7：针对存在交叉线的局部区域a，在在初始投影面之外的8个投影平面和原始x0y平面的轮廓投影中发现ai＝20°时的平面对应的局部区域a投影轮廓无交叉线存在，在三维软件中以此平面为投影面对三维钣金零件做局部投影，获得局部轮廓线771，此部分轮廓线两端加长2mm并结合起刀点、退刀点构成切割路径772，如图7(d)所示。同时通过手轮以角度20°顺时针旋转旋转轴323，通过第二锁紧螺母固定好工装夹具上的毛坯件，结合切割路径772完成局部区域a的切割。

步骤8：打磨零件轮廓线的切割面至光滑，清洗零件结束并退出切割任务。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。